Umum Prinsip Kerja Generator Sinkron

6

BAB II GENERATOR SINKRON 3 FASA

2.1 Umum

Genetaror sinkron merupakan pembangkit listrik yang banyak digunakan. Oleh sebab itu generator sinkron memegang peranan penting dalam sebuah pusat pembangkit listrik. Mesin Sinkron dapat bekerja sebagai generator apabila kumparan jangkarnya stator menghasilkan daya arus bolak-balik. Generator sinkron alternator merupakan sebuah mesin sinkron yang berfungsi mengubah energi mekanik berupa putaran menjadi energi listrik bolak-balik. Generator sinkron atau generator AC alternating current mempunyai arti bahwa rotor generator sinkron yang terdiri dari belitan medan dengan suplai arus searah akan menghasilkan medan magnet yang diputar dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan putar rotor. Dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet medan putar pada stator. Kecepatan sinkron ini dihasilkan dari kecepatan putar rotor dengan kutub- kutub magnet yang berputar dengan kecepatan yang sama dengan medan putar pada stator. Mesin sinkron tidak dapat start sendiri karena kutub-kutub yang berat dan tidak dapat tiba-tiba mengikuti kecepatan medan putar pada waktu saklar terhubung dengan jala-jala oleh sebab itu diperlukan suatu alat bantu start prime mover . Ada dua jenis generator sinkron, yaitu generator sinkron 1 fasa dan generator sinkron 3 fasa. Universitas Sumatera Utara 7

2.2 Konstruksi Generator Sinkron

Pada dasarnya konstruksi generator sinkron sama dengan motor sinkron. Secara umum, konstruksi generator sinkron terdiri dari stator bagian yang diam dan rotor bagian yang bergerak. Keduanya merupakan rangkaian magnetik yang berbentuk simetris dan silindris yang berkaitan. Selain itu generator sinkron memiliki celah udara ruang antara stator dan rotor yang berfungsi sebagai tempat berputarnya rotor dan tempat terjadinya fluksi atau induksi energi listrik dari rotor ke stator. Pada Gambar 2.1 dapat dilihat konstruksi dari sebuah generator sinkron secara umum : Gambar 2.1 Konstruksi generator sinkron secara umum A. Rotor Rotor merupakan bagian berputar yang berfungsi untuk membangkitkan medan magnet yang menghasilkan tegangan dan akan di induksikan ke stator. Pada rotor terdapat kutub-kutub magnet dengan lilitannya yang dialiri arus searah, melewati cincin geser dan sikat. Generator sinkron memiliki dua tipe rotor, yaitu : Universitas Sumatera Utara 8 1. Rotor yang berbentuk kutub sepatu salient pole 2. Rotor yang berbentuk kutub dengan celah udara sama rata cylindrical

1. Rotor kutub menonjol

Salient Pole Rotor Rotor tipe ini mempunyai kutub yang jumlahnya banyak. Kumparan dibelitkan pada tangkai kutub, dimana kutub-kutub diberi laminasi untuk mengurangi panas yang ditimbulkan oleh rugi-rugi arus Eddy, kumparan- kumparan medannya terdiri dari bilah tembaga persegi. Kutub menonjol ditandai dengan rotor berdiameter besar dan panjang serta sumbunya pendek. Selain itu jenis kutub salient pole, kutub magnetnya menonjol keluar dari permukaan rotor. Belitan-belitan medan dihubung seri. Ketika belitan medan ini disuplai oleh eksiter, maka kutub yang berdekatan akan membentuk kutub yang berlawanan. Bentuk kutub menonjol generator sinkron tampak seperti Gambar 2.2 berikut : Gambar 2.2 Rotor Kutub Menonjol Generator Sinkron Universitas Sumatera Utara 9 Rotor kutub menonjol umumnya digunakan pada generator sinkron dengan kecepatan putaran rendah dan sedang 120-400 rpm. Generator sinkron tipe seperti ini biasanya dikopel oleh mesin diesel atau turbin air pada sistem pembangkit listrik. Rotor kutub menonjol baik digunakan untuk putaran rendah dan sedang karena : a. Konstruksi kutub menonjol tidak terlalu kuat untuk menahan tekanan mekanis apabila diputar dengan kecepatan tinggi. b. Kutub menonjol akan mengalami rugi-rugi yang besar dan bersuara bising jika diputar dengan kecepatan tinggi.

2. Rotor kutub tak menonjol dengan celah udara sama rata Rotor Silinder

Rotor tipe ini dibuat dari plat baja berbentuk silinder yang mempunyai sejumlah slot sebagai tempat kumparan. Karena adanya slot-slot dan juga kumparan medan yang terletak pada rotor maka jumlah kutub pun sedikit yang dapat dibuat. Belitan-belitan medan dipasang pada alur-alur di sisi luarnya dan terhubung seri yang dienerjais oleh eksiter. Rotor yang umumnya berdiameter kecil dengan sumbu yang panjang. Dengan begitu kontruksi rotor ini memberikan keseimbangan mekanis yang lebih baik karena rugi-rugi anginya lebih kecil. Gambar bentuk kutub silinder generator sinkron tampak seperti pada Gambar 2.3 berikut: Universitas Sumatera Utara 10 Gambar 2.3 Rotor Kutub tak Menonjol Generator Sinkron Beberapa komponen utama rotor yaitu : a. Slip Ring Slip ring merupakan cincin logam yang melingkari poros rotor tetapi dipisahkan oleh isolasi tertentu. Dibuat dari bahan kuningan atau tembaga yang dipasang pada poros dengan memakai bahan isolasi. Terminal kumparan rotor dipasangkan ke-slip ring ini kemudian dihubungkan kesumber arus searah melalui sikat brush yang letaknya menempel pada slip ring. b. Sikat Sebagaian dari generator sinkron ada yang memiliki sikat ada juga yang tidak memiliki sikat. Sikat pada generator sinkron berfungsi sebagai saklar putar untuk mengalirkan arus DC ke-kumparan medan pada rotor generator sikron. Sikat terbuat dari bahan karbon tertentu. c. Kumpara rotor kumparan medan Kumparan medan merupakan unsure yang memegang peranan utama dalam menghasilkan medan magnet. Kumparan ini mendapat arus searah dari sumber eksitasi tertentu. Universitas Sumatera Utara 11 d. Poros Rotor Poros rotor merupakan tempat meletakkan kumparan medan, dimana pada poros tersebut telah terbentuk slot-slot secara paralel terhadap poros rotor.

B. Stator

Stator ialah bagian generator yang diam dan berfungsi sebagai tempat untuk menerima induksi magnet dari rotor. Arus bolak-balik AC yang menuju ke beban disalurkan melalui armatur, komponen ini berbentuk sebuah rangka silinder dengan lilitan kawat konduktor yang sangat banyak. Armatur selalu diam tidak bergerak. Oleh karena itu, komponen ini juga disebut dengan stator. Lilitan armatur generator dalam wye dan titik netral dihubungkan ke tanah. Lilitan dalam wye dipilih karena: 1. Meningkatkan daya output. 2. Menghindari dan meminimalisir tegangan harmonik, sehingga tegangan line tetap sinusoidal dalam kondisi beban apapun. Stator dari mesin sinkron terbuat dari bahan ferromagnetik yang berbentuk dan di laminasi untuk mengurangi rugi-rugi arus pusar. Dengan inti ferromagnetik yang bagus berarti permeabilitas dan resistivitas dari bahan tinggi. Pada Gambar 2.4 berikut memperlihatkan alur stator tempat kumparan jangkar Universitas Sumatera Utara 12 Gambar 2.4 Inti dalam Stator dan Alur Pada Stator Stator terdiri dari beberapa komponen utama, yaitu: a. Rangka stator Rangka stator merupakan rumah kerangka yang menyangga inti jangkar generator. b. Inti Stator Inti stator terbuat dari laminasi-laminasi baja campuran atau besi magnetic khusus terpasang ke rangka stator. c. Alur slot dan Gigi Alur dan gigi merupakan tempat meletakkan kumparan stator. Ada 3 tiga bentuk alur stator yaitu terbuka, setengah terbuka, dan tertutup seperti pada gambar 2.5 berikut : Gambar 2.5 Bentuk-bentuk alur Universitas Sumatera Utara 13 d. Kumparan Stator Kumparan Jangkar Kumparan jangkar biasanya terbuat dari tembaga. Kumparan ini merupakan tempat timbulnya ggl induksi. [5]

2.3 Prinsip Kerja Generator Sinkron

Adapun prinsip kerja dari suatu generator sinkron adalah: 1. Kumparan medan yang terdapat pada rotor dihubungkan dengan sumber eksitasi tertentu yang akan mensuplai arus searah terhadap kumparan medan. Dengan adanya arus searah yang mengalir melalui kumparan medan maka akan menimbulkan fluksi yang besarnya terhadap waktu adalah tetap. 2. Unit penggerak mula Prime Mover yang sudah terkopel dengan rotor segera dioperasikan sehingga memutar rotor pada kecepatan nominalnya persamaan 2.1 dimana : …………2.1 n = Kecepatan putar rotor rpm p = Jumlah kutub rotor f = frekuensi Hz 3. Perputaran rotor tersebut sekaligus akan memutar medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan medan. Medan putar yang dihasilkan pada rotor, akan diinduksikan pada kumparan jangkar sehingga pada kumparan jangkar yang terletak di stator akan dihasilkan fluks magnetik yang berubah- ubah besarnya terhadap waktu. Adanya perubahan fluks magnetik yang Universitas Sumatera Utara 14 melingkupi suatu kumparan akan menimbulkan ggl induksi pada ujung- ujung kumparan tersebut, hal tersebut sesuai dengan persamaan berikut dimana : ………………. 2.2 …….. 2.3 ….. 2.4 ………………… 2.5 …. 2.6 …………………….. 2.7 ……… 2.8 … 2.9 ….. 2.10 …….. 2.11 …………. …2.12 ………………2.13 Universitas Sumatera Utara 15 Dimana: E = ggl induksi Volt N = Jumlah belitan C = Konstanta p = Jumlah kutub n = Putaran rpm f = Frequensi Hz = Fluks magnetik weber Untuk generator sinkron tiga phasa, digunakan tiga kumparan jangkar yang ditempatkan di stator yang disusun dalam bentuk tertentu, sehingga susunan kumparan jangkar yang sedemikian akan membangkitkan tegangan induksi pada ketiga kumparan jangkar yang besarnya sama tapi berbeda fasa 120 satu sama lain. Setelah itu ketiga terminal kumparan jangkar siap dioperasikan untuk menghasilkan energi listrik. [2]

2.4 Reaksi Jangkar